化工原理课程设计

湖北民族学院

化学与环境工程学院

化工原理课程设计

课题名称：分离苯与乙苯混合物连续操作精馏塔 专 业：应用化学 姓 名：xxxxxx 学 号：xxxxxxx 指导老师：xxxx、xxxxx 设计日期：2010-6-13

苯-乙苯连续精馏塔的设计

摘要: 板式塔广泛应用于工业生产中。利用精馏原理和板式塔的使用可实现多种混合物的提取与分离。本设计需设计出一筛板塔以实现苯—乙苯二组分体系的精馏和分离，从而获得乙苯产品。并通过一系列计算掌握精馏原理及其设计方法与步骤，从而加深对化工原理这门课程的学习效果。

关键词:板式塔； 精馏； 筛板塔；精馏原理。

Design in the continual distillation of Benzene-Phenylethane

Student: Faqiang Chen Numbers: 040740579 Instructor: Zhidou Tan Hongyan Zhou Abstract: The colum of trays has a wide application in industry. Through the Principles of distillation and the use of tray column, compounds can be easily collected and separated. The project mainly designs a sieve-tray tower to achieve the separation of Benzene-Phenylethane , then,gains the

ethylbenzene product. We can understand the theorys of distillation and the ways and steps, then,deepen the study on the curriculum of Chemical Engineering .

Key words: column of trays；distillation； Sieve-tray tower ；the principles of distillation.

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目录

一、综述…………………………………………………………………………4

? 1.1精馏原理及其在工业生产中的应用………………………………… 4

1.1.1精馏原理………………………………………………………… 4 1.1.2精馏在工业生产中的应用………………………………………… 4 ? 1.2 精馏操作对塔设备的要求…………………………………………… 4 ? 1.3常用板式塔类型及本设计的选型…………………………………… 4

1.3.1 泡罩塔……………………………………………………………4 1.3.2 筛板塔………………………………………………………… 5 1.3.3 浮阀塔………………………………………………………… 5 1.3.4 筛板塔的主要特点…………………………………………… 5

二、设计内容及相关物性参数………………………………………… 6 三、工艺条件的确定及说明…………………………………………… 7

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3.1操作压力……………………………………………………………… 7 3.2进料状态……………………………………………………………… 7 3.3加热剂和加热方式…………………………………………………… 7 3.4冷却剂及其进出、口温度…………………………………………… 8

四、流程图…………………………………………………………………… 8 五、精馏塔的设计计算…………………………………………………… 9

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5.1塔的物料衡算……………………………………………………………9 5.2塔板数的确定……………………………………………………………9 5.3塔的工艺条件及物性数据计算…………………………………………11 5.4精馏段气液荷计算………………………………………………………13 5.5塔和塔板主要工艺尺寸计算……………………………………………13 5.6筛板的流体力学验算……………………………………………………15 5.7塔板的负荷性能图………………………………………………………17

六、筛板塔的工艺设计计算结果列表……………………………… 21 七、筛板式精馏塔机械设计………………………………………………21 八、参考文献……………………………………………………………………34 九、课程设计总结……………………………………………………………34

一、综述

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? 1.1精馏原理及其在工业生产中的应用

1.1.1精馏原理

精馏利用混合物中各组分挥发度不的同将混合物进行分离。在精馏塔中，再沸器或塔 釜产

生的蒸汽沿塔逐渐上升，来自塔顶冷凝器的回流液从塔顶逐渐下降，汽液两相在塔内实现多次接触，进行传质、传热，轻组分上升，重组分下降，使混合液达到一定程度的分离。如果

离开某一块塔板（或某一段填料）的汽相和液相的组成达到平衡，则该板（或该填料段）称为一块理论板或一个理论级。然而，在实际操作的塔板上或一段填料层中，由于汽液两相接触时间有限，汽液相达不到平衡状态，即一块实际操作的塔板（或一段填料层）的分离效果常常达不到一块理论板或一个理论级的作用。要想达到一定的分离要求，实际操作的塔板数总要比所需的理论板数多，或所需的填料层高度比理论上的高。

对于二元物系，若已知汽液平衡数据，则根据塔顶馏出液的组成xD,原料液的组成xF,塔釜

液的组成xW及操作回流比R和进料热状态参数q，就可用图解法或计算机模拟计算求出理论

塔板数。

1.1.2工业生产中的应用

在整个国民经济生产中，板式塔占有相当大的比重，工业上应用最多、使用经验较为

丰富的有筛板塔、浮阀塔、泡罩塔和舌型塔。其中，泡 1.2.精馏操作对塔设备的要求

精馏所进行的是气(汽)、液两相之间的传质，而作为气(汽)、液两相传质所用的塔设备， 首先必须要能使气(汽)、液两相得到充分的接触，以达到较高的传质效率。但是，为

了满足工业生产和需要，塔设备还得具备下列各种基本要求：

(１) 气(汽)、液处理量大，即生产能力大时，仍不致发生大量的雾沫夹带、拦液或液 泛等破坏操作的现象。

(２) 操作稳定，弹性大，即当塔设备的气(汽)、液负荷有较大范围的变动时，仍能在

较高的传质效率下进行稳定的操作并应保证长期连续操作所必须具有的可靠性。 (３) 流体流动的阻力小，即流体流经塔设备的压力降小，这将大大节省动力消耗， 从而降低操作费用。对于减压精馏操作，过大的压力降还将使整个系统无法维持必要 的真空度，最终破坏物系的操作。

(４) 结构简单，材料耗用量小，制造和安装容易。 (５) 耐腐蚀和不易堵塞，方便操作、调节和检修。 (６) 塔内的滞留量要小。

实际上，任何塔设备都难以满足上述所有要求，况且上述要求中有些也是互相矛盾的。 不同的塔型各有某些独特的优点，设计时应根据物系性质和具体要求，抓住主要矛盾， 进行选型。

1.3常用板式塔类型及本设计的选型

板式塔类型的不同，在于其中塔板的结构不同，现将几种重要类型的板式塔分述如下： 1.3.1泡罩塔

泡罩塔是19世纪初随工业蒸馏的建立而发展起来的，属于一种古老的结构。塔板上的主要部件是泡罩（见下图）。它是一个各形的罩，支在塔板上，其下沿有长条形或椭圆形小孔，或做成齿缝状，与板面保持一定距离。罩内覆盖着一段很短的升气管，升气管的上口高于罩下沿的小孔或齿缝。塔板下方的气体经升气管进入罩内之后，折向下到达罩与管之间的环形空隙，然后从罩下沿的小孔或齿缝分散成气泡而进入板上的液层。

泡罩的制造材料有：碳钢、不锈钢、合金钢、铜、铝等，特殊情况下亦可采用陶瓷以便防腐

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蚀。泡罩的直径通常为80～150mm（随塔径增大而增大），在板上按正三角形排列，中心距为罩直径的1.25～1.5倍。

泡罩塔板上的升气管出口伸到板面以上，故上升气流即使暂时中断，板上液体亦不会流尽，气体流量减少，对其操作的影响亦小。有此特点，泡罩塔可以在气、液负荷变化较大的范围内正常操作，并保持一定的板效率。为了便于在停工以后能放净板上所积存的液体，每层板上都开有少数排液孔，称为泪孔，直径约5～10 mm ，面积约为1～3cm2?m?2

塔截面，位于板面上靠近溢流堰入口一侧。 泡罩塔操作稳定，操作弹性——能正常操作的最大负荷与最小负荷之比可达4～5.但是，由于它的构造比较复杂，造价高，阻力（表现为气体通过每层板的压降）亦大，而气、液通量和板效率却比其他类型板式塔为低，已逐渐被其他型式的塔所取代。然而，由于他的使用历史长，对它研究得比较充分，设计数据也积累得较为丰富，故在要求可靠性高的场合中仍供使用。

1.3.2 筛板塔

筛板塔的出现，仅迟于泡罩塔20年左右，因长期被认为操作不稳定，在20世纪50年代以前，它的使用远不如泡罩塔普遍。其后因积极寻找一种简单而廉价的塔型，对其性能的研究不断深入，已能做出有足够操作弹性的设计，使得筛板塔成为应用最广泛的一种类型。

筛板与泡罩塔的差别在于取消了泡罩与升气管，而直接在板上开有很多小直径的孔——筛孔。操作时气体通过小孔上升，液体则通过降液管流到下一层板。分散成泡的气体使板上液层成为强烈湍动的泡沫层。筛板多用不锈钢或合金钢板制成，使用碳钢的比较少。孔的直径约3～8mm，以4～5mm较常用，板的厚度约为孔径的0.4～0.8倍。此外，又有一种大孔筛板，孔径在10mm以上，用于有悬浮颗粒与脏污的场合。

1.3.3 浮阀塔

浮阀塔是在泡罩塔的基础上发展起来的，它主要的改进是取消了升气管和泡罩，在塔板开孔上设有浮动的浮阀，浮阀可根据气体流量上下浮动，自行调节，使气缝速度稳定在某一数值。这一改进使浮阀塔在操作弹性、塔板效率、压降、生产能力以及设备造价等方面比泡罩塔优越。但在处理粘稠度大的物料方面，又不及泡罩塔可靠。浮阀塔广泛用于精馏、吸收以及脱吸等传质过程中。塔径从200mm到6400mm，使用效果均较好。国外浮阀塔径，大者可达10m，塔高可达80m，板数有的多达数百块。

浮阀塔之所以这样广泛地被采用，是因为它具有下列特点：

(１) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加20～40％，而接近于筛板塔。

(２) 操作弹性大，一般约为5～9，比筛板、泡罩、舌形塔板的操作弹性要大得多。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

(４) 压强小，在常压塔中每块板的压强降一般为400～660N/m2。 (５) 液面梯度小。

(６) 使用周期长。粘度稍大以及有一般聚合现象的系统也能正常操作。

(７) 结构简单，安装容易，制造费为泡罩塔板的60～80％,为筛板塔的120～130％。 以上仅对泡罩塔、浮阀塔、筛板塔作了简单的介绍。常用板式塔还有舌型塔板、浮舌塔板、斜孔塔板、垂直塔板等。本设计采用筛板塔。 ? 1.4 筛板塔的主要特点

1.4.1优点:

(１) 结构比浮阀塔更简单，易于加工，造价约为泡罩塔的60％，为浮阀塔的80％右。 (２) 处理能力大，比同塔径的泡罩塔可增加10～15％。 (３) 塔板效率高，比泡罩塔高15％左右。

(４) 压降较低，每板压力比泡罩塔约低30％左右。

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